一种应用于波束调控的超宽频偏振器

1.本发明属于极化偏振器件技术领域，尤其涉及一种应用于波束调控的超宽频偏振器。


背景技术：

2.极化是电磁波的一个重要属性，极化偏振器件是转化电磁波极化状态的重要部件，可以有效地将入射的电磁波转换为交叉极化形式，特别是在微波和光学领域，灵活、任意地控制电磁波的极化状态，在天线、无线通信、全息图和透镜等工程领域有着广泛的应用。
3.在5g移动通信中，需要设计具有多波束辐射和特定方向波束辐射的天线，来实现多信道通信。但是，现有的极化偏振器件宽带较窄、转换效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种应用于波束调控的超宽频偏振器，以提升极化偏振器件的带宽和转换效率。
5.本发明采用以下技术方案：一种应用于波束调控的超宽频偏振器，
6.包括fr-4介质层，其横截面为正方形；
7.fr-4介质层的下方固定连接有金属层，金属层的横截面与fr-4介质层的横截面形状相同、大小相等，且金属层的顶面与fr-4介质层的底面贴合；
8.fr-4介质层的顶面上设置有金属环谐振器；
9.金属环谐振器由两个相对设置的弧形件组成，两个弧形件相对于fr-4介质层的顶面对角线对称设置；
10.弧形件包括弧形板，弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个条形板位于同一直线上，且两个条形板的自由端不相交。
11.进一步地，fr-4介质层的厚度大于金属层的厚度，且金属层的厚度与金属环谐振器的厚度相等。
12.进一步地，两个弧形件之间具有间距。
13.进一步地，弧形板不伸出fr-4介质层的顶面。
14.进一步地，fr-4介质层的横截面的边长为5.1mm，fr-4介质层的厚度为3mm。
15.进一步地，金属环谐振器的厚度为0.035mm；
16.两个弧形件之间的间距为1.6mm；
17.弧形件上两个条形板之间的间距为1.4mm；
18.弧形板的内径为2.3mm，外径为2.4mm；
19.条形板的长为1.5mm，宽为0.2mm。
20.本发明的有益效果是：本发明利用fr-4介质层、金属层和金属环谐振器实现了超宽带极化转化功能，具有实现超宽带高效极化转化功能的优点，且入射角度稳定性能较好；
本发明通过相对于fr-4介质层的顶面对角线对称两个弧形件，可适用于任意入射方向的电磁波，且通过金属层可以阻挡电磁波的透射，进而提高了电磁波的转换效率。
附图说明
21.图1为本发明实施例中超宽频偏振器中的单元结构的结构示意图；
22.图2为本发明实施例中超宽频偏振器中的单元结构的侧面结构示意图；
23.图3为本发明实施例中所对应的交叉极化和共极化幅值示意图；
24.图4为本发明实施例中所对应的交叉极化转换率图；
25.图5为本发明实施例中对应不同比特数时具有的结构示意图；
26.图6为本发明实施例中在不同旋转角度时所对应的幅值示意图；
27.图7为本发明实施例中在不同旋转角度时所对应的相位示意图；
28.图8为本发明实施例中按照编码排列后的波束方向示意图。
29.其中：1.金属环谐振器；2.fr-4介质层；3.金属层。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.超材料是由亚波长周期或准周期结构组成人工电磁材料，由于其具有天然材料中所不具有的特殊电磁特性，为设计功能性材料提供了一种新的策略，如：隐形斗篷、透镜、完美吸波体等。同时，超材料因可以灵活地改变相位、振幅、极化等不同特性，实现任意电磁波的调控而引起人们的广泛关注，为产生更灵活的电磁波调控提供了更大的设计自由度，实现了更强大的功能，如宽带散射、异常折射和反射等，随着超材料的发展，如超构透镜、全息图、艾里光束器等许多应用应运而生。
32.随着人们对人工电磁超材料的研究，提出编码超材料之后，可以根据设计一定相位差的超材料的单元结构，分别对其编码，通过对具有相位差的单元结构进行空间排布，从而实现电磁波的调控。另外，实现超材料的相位突变，从而实现波束调控，一种方法是调整基本单元结构的几何参数，另一种方法是通过调整引入pancharatnam-berry相位元素，将每个基本单元旋转一定角度，由于其方便性和鲁棒性，是目前最常用的方法。
33.基于极化器件设计的波束调控编码超材料，可以灵活地调控电磁波得到想要的散射模式，所以，对于有效地实现更宽频带内的电磁波束调控具有一定的现实意义。其中拓宽偏振器件带宽的方法有：(1)将具有不同谐振频率的偏振带在同一平面内组合起来；(2)将多层谐振单元逐层堆叠起来。
34.编码超表面通过对构成超表面的每一块人工单元进行单独编码，可以灵活地调控电磁波，得到想要的散射模式。基于此，可使用编码超表面实现对波束的调控，使得在某个或多个特定方向电磁波的方向性较强。因此，可以将编码超表面应用于通信系统，根据用户的需要，在辐射端产生特定方向的电磁波，从而提高通信系统的传输速率，因此，应用于波束反射的编码超表面具有较好的研究价值和工程意义。
35.本发明公开了一种应用于波束调控的超宽频偏振器，如图1、图2所示，包括fr-4介质层2，其横截面为正方形；fr-4介质层2的下方固定连接有金属层3，金属层3的横截面与fr-4介质层2的横截面形状相同、大小相等，且金属层3的顶面与fr-4介质层2的底面贴合；
fr-4介质层2的顶面上设置有金属环谐振器1；金属环谐振器1由两个相对设置的弧形件组成，两个弧形件相对于fr-4介质层2的顶面对角线对称设置；弧形件包括弧形板，弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个条形板位于同一直线上，且两个条形板的自由端不相交。
36.本发明利用fr-4介质层、金属层3和金属环谐振器1实现了超宽带极化转化功能，具有实现超宽带高效极化转化功能的优点，且入射角度稳定性能较好；本发明通过相对于fr-4介质层的顶面对角线对称两个弧形件，可适用于任意入射方向的电磁波，且通过金属层可以阻挡电磁波的透射，进而提高了电磁波的转换效率。
37.作为一种具体的实现方式，fr-4介质层2的厚度大于金属层3的厚度，且金属层3的厚度与金属环谐振器1的厚度相等。两个弧形件之间具有间距。弧形板不伸出fr-4介质层2的顶面。本发明中的偏振器均可使用pcb工艺进行加工制造，工艺成熟，方便制造。
38.具体的，金属环谐振器1和金属层3均采用厚度为0.035mm的铜模，导电率为5.8
×
107s/m，金属环谐振器1的厚度为0.035mm。中间介质层材料选择fr-4材料，介电常数为4.3和正切损耗为0.025，在选择材料时，应选择损耗值较小，成本较低的材料。
39.更为具体的，在该实施例中，fr-4介质层2的横截面的边长为5.1mm，fr-4介质层2的厚度为3mm。两个弧形件之间的间距为1.6mm；弧形件上两个条形板之间的间距为1.4mm；弧形板的内径为2.3mm，外径为2.4mm；条形板的长为1.5mm，宽为0.2mm。
40.偏振器全金属层3阻挡了电磁波的透射，顶层金属环谐振器1和底层全金属层3之间在谐振点7.3ghz、10.6ghz和14.3ghz形成磁谐振，这三个谐振点在形成高效超宽带极化转化中起着关键作用。
41.在另一个实施例中，将上述的偏振器和多干个基本单元进行排列组成超表面，基本单元结构与偏振器结构的区别在于两个弧形件的对称方式不同，在基本单元结构中，两个弧形件的对称方式是相对于fr-4介质层2的顶面中心点旋转对称(排除偏振器中两个弧形件的设置方式)，通过这些基本单元可以调节波束方向。
42.该实施例中，超表面采用pcb工艺进行加工制造，采用20*20个基本单元(包含了偏振器)形成一个方形超表面。将该超表面在cst microwave studio2020仿真，频率设置为4～20ghz。仿真结果如图3所示，当电磁波垂直入射时，在频段6.9至14.5ghz范围内，交叉极化r
yy
均在0.9以上，相对带宽为71％，此时共极化r
xy
低于0.3，说明完美实现了交叉极化转换。如图4所示，可由计算得到交叉极化转化率高于90％。
43.另外，如图5所示，将金属谐振器1按照一定的角度旋转，按照相位与结构的关系使相位满足360度全覆盖，按照图5结构进行比特数编码。在该图中，bit表示二进制数字(包含0和1)，1-bit就是有1位二进制数(0/1)21，2-bit就是有2位二进制数(00/01/10/11)22，3-bit就是有3位二进制数(000/001/010/011/100/101/110/111)23。
44.如图6和图7所示，为超表面旋转一定角度所对应的幅值和相位示意图，由图可知，幅值基本没有变化，相位实现360
°
全覆盖。根据以上比特数进行编码排列，可以得到不同方位角和俯仰角的波束。如图8所示为1比特和2比特实现的波束方向图，由此可以推导至多比特，从而实现多波束调控。沿x和y方向排列的1-bit编码超表面在圆极化波垂直入射下的3d图如图8(a)和(b)所示，由旋转角度为0
°
和90
°
组成的1-bit编码超表面沿x方向排列时，沿主方向入射的圆极化波被反射为两个对称波，其角度为
周期波长为γ1＝2
×
20.4mm。当编码超表面沿y方向排列时，圆极化入射波也沿着y轴被反射为两个对称波，角度为如图8(c)为圆极化波垂直入射下2-bit编码超表面的3d图，可以看到圆极化波被对称地分解为四个反射波，角度为γ2＝2
×
20.4mm.图8(d)为3-bit编码超表面在圆极化入射波下远场散射图，观察到正入射的左旋圆极化波在一定角度下被反射到特定的方向上，发生异常反射，角度为周期为γ1＝8
×
20.4mm。